CN108827802A - 一种路堤动力湿化模型实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种路堤动力湿化模型实验装置，包括：路堤模型箱（1）、路堤模型（2）、室内喷洒降雨模拟系统（3）、动力加载单元（4）、监测仪器单元（5）、数据采集系统（6）及路面板（7）；本发明利用室内喷洒降雨模拟系统（3）对路堤模型箱（1）内填筑的路堤模型（2）进行降雨，动力加载单元（4）安装在路堤模型箱（1）顶部，作用于路面板（7）上，监测仪器单元（5）布设在路堤模型（2）内与数据采集系统（6）连接；本发明不仅可以模拟不同车辆动力荷载作用下路基土的动力响应，也可模拟不同降雨强度、降雨历时作用下的路堤渗流特征，装置整体结构合理，操作简便。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程中道路工程领域，尤其涉及一种路堤动力湿化模型实验装置，该装置可用于模拟行车荷载在降雨条件下对路堤的破坏机理。
背景技术
随着我国经济飞速发展，道路交通量也在快速增长，我国一些早期修建的公路路堤沉降严重，路用性能急剧下降，迫切需要进行结构补强和功能恢复，延长道路使用年限，提高道路使用性能，传统的循环三轴实验仪无法实现对现场移动荷载的模拟，不能客观实际的揭示道路在运营期间的稳定状态和累计变形；而现有实验模拟装置只考虑单一的降雨渗流对路堤造成的破坏，没有考虑交通荷载作用下路基的疲劳损伤问题；目前对降雨和行车荷载耦合作用下路堤变形规律掌握尚不完善，计算精度低，不能满足工程实际需要，因此，设计一种既可以模拟现场移动荷载又可以模拟降雨入渗的实验装置是很有必要的，本发明提出一种路堤动力湿化模型实验装置，用于研究高路堤边坡在降雨和车辆荷载作用下的滑移机理和破坏规律，从而更加有效的指导高路堤的工程设计。
发明内容
针对以上问题，本发明公开了一种路堤动力湿化模型实验装置，该装置包括路堤模型箱（1）、路堤模型（2）、室内喷洒降雨模拟系统（3）、动力加载单元（4）、监测仪器单元（5）、数据采集系统（6）及路面板（7）；其特征在于，所述路堤模型（2）填筑于路堤模型箱（1）内，室内喷洒降雨模拟系统（3）位于路堤模型箱（1）上方，对路堤模型（2）进行降雨，动力加载单元（4）安装在路堤模型箱（1）一侧顶部，作用于路面板（7）上，路堤模型（2）内布设监测仪器单元（5），监测仪器单元（5）与数据采集系统（6）连接。
所述的路堤模型箱（1）正前面由透明有机玻璃（14）制作，其他侧面均由壁厚25 mm的铁皮制作而成，一侧设有带有出水孔的钢制水槽（15），另一侧设有排水孔（16），排水孔从下到上等距布置，左右两侧构成地下水调节系统，可模拟流动的地下水位；透明有机玻璃（14）为可替换、可根据实际路堤模型（2）的高度和坡度更改尺寸。
所述路堤模型（2）可以填筑不同高度、不同坡比；所述监测仪器单元（5）包括布设于路堤模型（2）内的孔隙水压力传感器（31）、体积含水率传感器（32）以及基质吸力传感器（33），对应的基质传感器（33）外壁上安装单点沉降仪（35），坡前布置土压力传感器（34），所述传感器分别与数据采集系统（6）相连接。
所述的室内喷洒降雨模拟系统中的降雨支架（9）由四个降雨支柱上下两部分组装而成，上部分由规格30 mm×30 mm×1500 mm的空心铁管制作而成，下部分由规格35 mm×35 mm×1000 mm的空心铁管制作而成，上下两部分连接处安装有升降装置（17），可供调节降雨高度；6个降雨喷头（8）分别固定在降雨支架（9）顶端，由输水管道（10）进行连接，输水管道（10）一侧安装可控水压表（11），实现水压的调控，另一侧连接水泵（12），水泵(12)通过输水管道(10)连接蓄水箱（13）。
所述的动力加载单元（4）中的液压加载装置（19）安装在控制板（23）与汽车模型（20）中间，并布设压力传感器(21)，汽车模型(20)通过加载轴(22)与控制板(23)进行连接，控制板(23)两端设有连接轴，导轨(24)两端设有滑轮(25)，滑轮通过钢丝线(27)与滚轴(28)进行连接，实现汽车加载模型的往复直线运动。
本发明的有益效果是：首先，通过在路堤模型箱内填筑不同高度、不同坡比的路堤模型来实现对不同填筑路堤实际的模拟；然后，利用室内降雨喷洒模拟系统，对填筑的路堤模型进行室内模拟降雨；最后，采用动力加载单元，对填筑的路堤模型实现不同车辆动力荷载加载的模拟；本发明不仅可以在不同填筑路堤模型内模拟不同降雨强度、降雨历时条件下的渗流特征，实现不同车辆动力荷载作用下路基土动力响应的监测，还可以实现动力湿化耦合效果，揭示路堤边坡在不同降雨条件及不同车辆动力荷载互相作用下的失稳机理，更为直观的观测路堤边坡失稳破坏过程；整个试验装置结构合理，易于开展，解决了路堤现场监测劳动量大、不经济的工程难题。
附图说明
图1为本发明具体实施过程结构示意图；
图2为本发明路堤模型箱结构示意图；
图3为本发明室内降雨装置结构示意图；
图4为本发明动力加载系统结构示意图；
图5为本发明监测仪器单元局部示意图。
图中标记为：1-路堤模型箱，2-路堤模型，3-室内喷洒降雨模拟系统，4-动力加载单元，5-监测仪器单元，6-数据采集系统，7-路面板，8-降雨喷头，9-降雨支架，10-输水管道，11-可控水压表，12-水泵，13-蓄水箱，14-透明有机玻璃，15-钢制水槽，16-排水孔，17-升降装置，18-电机，19-控制箱，20-汽车模型，21-压力传感器，22-加载轴，23-控制板，24-导轨，25-滑轮，26-钢丝绳，27-滚轴，28-电线，29-连接轴，31-孔隙压力传感器，32-体积含水率传感器，33-基质吸力传感器，34-土压力传感器，35-单点沉降仪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明组合结构方式和实施步骤做进一步说明。
如图1、图2、图3、图4所示，本发明一种路堤动力湿化模型实验装置，该装置包括路堤模型箱（1）、路堤模型（2）、室内喷洒降雨模拟系统（3）、动力加载单元（4）、监测仪器单元（5）、数据采集系统（6）及路面板（7），其中，路堤模型箱（1）由钢制底板1和垂直于钢制底板1的钢制左挡板2、钢制右挡板3、钢制后挡板4及透明有机玻璃（14）前挡板组成，前挡板可根据实际路堤模型（2）高度来更改尺寸，钢制左挡板2后设钢制水槽（15），钢制水槽（15）设进水管及每个水槽设置出水口，在钢制右挡板对应位置设排水口（16），实现对路堤模型地下水位的调控，出水口与排水口为上下等距圆孔；室内喷洒降雨模拟系统（2）位于路堤模型箱（1）上方，如图3所示，降雨支架（9）是整个室内模拟降雨装置的支撑结构，尺寸为1800 mm×950 mm×2500 mm，四个降雨支柱由上下两部分组装而成，上部分由规格30 mm×30 mm×1500 mm的空心铁管制作而成，下部分由规格35 mm×35 mm×1000 mm的空心铁管制作而成，上下两部分连接处安装有升降装置（17），可供调节降雨高度；6个降雨喷头（8）分别固定在降雨支架（9）顶端，由输水管道（10）进行连接，输水管道（10）一端安装可控水压表（11），实现水压的调控；另一端连接水泵（12），通过输水管道（10）与蓄水箱（13）连接，实现对降雨时间和降雨间隔的控制。
如图4所示，动力加载系统（4）由电机（18）、液压加载装置（19）、汽车模型（20）、压力传感器（21）、加载轴（22）、控制板（23）、导轨（24）组成，导轨为钢结构框架，可以保持足够的稳定性和刚度，其中控制板(23)设在导轨(24)上，可以沿着导轨（24）直线运动，控制板(23)通过加载轴(22)与汽车模型(20)连接，液压加载装置(19)安装在汽车模型（20）上，与汽车模型（20）结合处设有压力传感器(21)，控制板(23)两端分别安装连接轴（29）和连接轴（30），导轨两端安装滑轮a、滑轮b、滑轮c、滑轮d，滑轮a、b、c、d处于同一条直线上，首先连接轴（29）通过钢丝绳（26）与滑轮（25c）及电机(18)上的转轴连接，再通过钢丝绳连接滑轮（25d）、滑轮（25b）与滑轮（25a），最后钢丝绳通过滑轮(25a)与连接轴（30）连接，电机（18）可控制转轴正转反转，使小车沿着导轨做往复直线运动，电机（18）和压力传感器（21）通过电线（28）与控制箱（19）连接，可通过控制箱的显示屏观察加载状况，路堤本体（2）采用分层填筑的方法，填筑过程完成监测仪器单元（5）的布设，至少布设六个孔隙水压力传感器（31）、六个体积含水率传感器（32）以及六个基质吸力传感器（33），在坡前至少布置4个土压力传感器（34），对应的基质传感器（33）外壁上安装单点沉降仪（35），完成路堤填筑及仪器布设后，将监测仪器单元（5）、控制箱（19）与数据采集系统（6）连接；路基上做路面板（7），将动力加载单元（4）中汽车模型（20）作用于路面板（7）上，使小车在路面板上做往复直线运动，实现对现场移动荷载的模拟。
Claims (5)
1.一种路堤动力湿化模型实验装置，包括路堤模型箱（1）、路堤模型（2）、室内喷洒降雨模拟系统（3）、动力加载单元（4）、监测仪器单元（5）、数据采集系统（6）及路面板（7）；其特征在于，所述路堤模型（2）填筑于路堤模型箱（1）内，室内喷洒降雨模拟系统（3）位于路堤模型箱（1）上方，对填筑路堤模型（2）进行降雨，动力加载单元（4）安装在路堤模型箱（1）一侧顶部，作用于路面板（7）上，路堤模型（2）内布设监测仪器单元（5），监测仪器单元（5）与数据采集系统（6）连接。
2.根据权利要求1所述的一种路堤动力湿化模型实验装置，其特征在于：所述的路堤模型箱（1）正前面由透明有机玻璃（14）制作，其他侧面均由壁厚25 mm的铁皮制作而成，一侧设有带有出水孔的钢制水槽（15），另一侧设有排水孔（16），排水孔从下到上等距布置，左右两侧构成地下水调节系统，可模拟流动的地下水位，透明有机玻璃（14）为可替换、可根据实际路堤模型（2）的高度和坡度更改尺寸。
3.根据权利要求1所述的一种路堤动力湿化模型实验装置，其特征在于：所述路堤模型（2）可以填筑不同高度、不同坡比；所述监测仪器单元（5）包括布设于路堤模型（2）内的孔隙水压力传感器（31）、体积含水率传感器（32）以及基质吸力传感器（33），对应的基质传感器（33）外壁上安装单点沉降仪（35），坡前布置土压力传感器（34），所述传感器分别与数据采集系统（6）相连接。
4.根据权利要求1所述的一种路堤动力湿化模型实验装置，其特征在于：所述的室内喷洒降雨模拟系统中的降雨支架（9）由四个降雨支柱上下两部分组装而成，上部分由规格30mm×30 mm×1500 mm的空心铁管制作而成，下部分由规格35 mm×35 mm×1000 mm的空心铁管制作而成，上下两部分连接处安装有升降装置（17），可供调节降雨高度；6个降雨喷头（8）分别固定在降雨支架（9）顶端，由输水管道（10）进行连接，输水管道（10）一侧安装可控水压表（11），实现水压的调控，另一侧连接水泵（12），水泵(12)通过输水管道(10)连接蓄水箱（13）。
5.根据权利要求1所述的一种路堤动力湿化模型实验装置，其特征在于：所述的动力加载单元（4）中的液压加载装置（19）安装在控制板（23）与汽车模型（20）中间，并布设压力传感器(21)，汽车模型(20)通过加载轴(22)与控制板(23)进行连接，控制板(23)两端设有连接轴，导轨(24)两端设有滑轮(25)，滑轮通过钢丝线(27)与滚轴(28)进行连接，实现汽车加载模型的往复直线运动。
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